基于msp430f149芯片的手繪繪圖板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于msp430f149芯片的手繪繪圖板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0制上位機(jī)其特點(diǎn)隨著教育和教育改革的深化，電子白板產(chǎn)品深受教材市場(chǎng)的影響。本研究中描述的圖紙板可用作電子白板的寫入裝置。系統(tǒng)使用覆銅板作為繪圖板,把覆銅板作為輸入設(shè)備控制上位機(jī),在覆銅板上實(shí)現(xiàn)打點(diǎn)、畫圖、寫字等功能,把打點(diǎn)、畫圖、寫字的位置和形狀在顯示設(shè)備上精確顯示。該繪圖板還可做成鼠標(biāo)、鍵盤等輸入設(shè)備,可以用于教學(xué)、軍事、生活等很多領(lǐng)域,具有很大的研究潛能和意義。硬件系統(tǒng)由恒流源、信號(hào)檢測(cè)、運(yùn)算放大器、A/D采集、240×128液晶顯示、按鍵輸入等模塊和普通銅板等部分組成,整機(jī)功耗1.2W,它能快速、準(zhǔn)確識(shí)別表筆落點(diǎn)的位置,并能跟蹤識(shí)別表筆動(dòng)作,在液晶上清晰地顯示繪圖軌跡。本系統(tǒng)功耗低、測(cè)量準(zhǔn)確、系統(tǒng)穩(wěn)定、整體性能良好。1大脈沖電流測(cè)量法檢測(cè)手寫坐標(biāo)位置通常有3種方法:精密交流電流源法、精密直流恒流源測(cè)量法和大脈沖電流測(cè)量法。精密交流電流源法實(shí)現(xiàn)時(shí)較復(fù)雜,而大脈沖電流測(cè)量法在實(shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)引入較大的噪聲,從而影響測(cè)量精度。因此本系統(tǒng)選用精密直流恒流源測(cè)量法,這種方法是通過測(cè)量流過覆銅板的電流產(chǎn)生的電壓降來確定坐標(biāo),精度高且實(shí)現(xiàn)方便。1.1構(gòu)建現(xiàn)代社會(huì)各點(diǎn)電荷的u3000空間分布在普通銅板上表筆觸點(diǎn)與導(dǎo)線接地焊點(diǎn)可近似看成點(diǎn)電荷,銅板可看成均勻的導(dǎo)電物質(zhì),2個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的作用力為:式(1)中:q1、q2為2點(diǎn)的等效電荷量,R為2點(diǎn)的等效距離,力的方向在2個(gè)電荷的連線上,2個(gè)電荷同號(hào)時(shí)為斥力,異號(hào)時(shí)為吸力。電場(chǎng)強(qiáng)度為:而有勢(shì)場(chǎng)E的勢(shì)函數(shù)U為:由以上公式可計(jì)算出各點(diǎn)的電勢(shì)U、電場(chǎng)強(qiáng)度E,并用MATLAB繪出相應(yīng)電荷的電場(chǎng)分布情況。應(yīng)用MATLAB進(jìn)行仿真時(shí),一對(duì)等量異種點(diǎn)電荷的平面等勢(shì)線可以用MATLAB的等高線命令繪制,仿真中2個(gè)等量的正負(fù)點(diǎn)電荷的電量分別取q1=2e-9,q2=-2e-9,正電荷在x軸正半軸,負(fù)電荷在x軸負(fù)半軸,2個(gè)點(diǎn)電荷距原點(diǎn)的距離均設(shè)為a=0.02;假設(shè)平面范圍為x0=0.05,y0=0.04,2個(gè)點(diǎn)電荷的坐標(biāo)向量分別為x=linspace(-x0,x0,20)和y=linspace(-y0,y0,50)。設(shè)定平面的網(wǎng)格坐標(biāo)為:[X,Y]=meshgrid(x),各點(diǎn)到2個(gè)電荷的距離分別為:r1=sqrt((X-a)2+Y2),r2=sqrt((X+a)2+Y2)。取最高電勢(shì)為:u0=50,最低電勢(shì)為其負(fù)值。畫平面電場(chǎng)線可利用MATLAB的箭頭命令,用各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度方向代替電力線,取電荷的半徑為:r0=0.002,場(chǎng)強(qiáng)分解的2個(gè)分量和總場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式為:其中:(x1,y)為起始點(diǎn)到第1個(gè)點(diǎn)電荷的坐標(biāo),(x2,y)為起始點(diǎn)到第2個(gè)點(diǎn)電荷的坐標(biāo),r1,r2分別為該點(diǎn)到2個(gè)電荷的距離。用MATLAB仿真點(diǎn)電荷之間電場(chǎng)線與等勢(shì)線的分布情況,MATLAB仿真圖如圖1所示。1.2繪制表筆位置檢測(cè)電路系統(tǒng)確定坐標(biāo)的方法主要采用單臂橋測(cè)量小電阻的方法。銅板上隨著表筆的移動(dòng),電阻發(fā)生變化,產(chǎn)生的電勢(shì)也發(fā)生變化,通過測(cè)量觸點(diǎn)與C之間的電勢(shì)差,取得的信號(hào)值經(jīng)過放大,由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,當(dāng)表筆在繪圖板上移動(dòng)時(shí),由于表筆距離4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)不同,導(dǎo)致4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到的電阻值不同,反映到A/D上的值不同,并對(duì)應(yīng)一組數(shù)據(jù)。通過計(jì)算得出每組數(shù)據(jù)都是唯一的,從而確定表筆的位置。檢測(cè)電路原理圖如圖2所示。假設(shè)此時(shí)觸筆接觸點(diǎn)為A點(diǎn),此時(shí)采集A點(diǎn)的值為(a0,b0),將這個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為(ax,by)(其中ax,by分別是由a0和b0轉(zhuǎn)換到x軸、軸上的坐標(biāo)值)。測(cè)試A點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1貼放系統(tǒng)的精確定位功能本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器,由恒流源、信號(hào)檢測(cè)、運(yùn)算放大、A/D采集、液晶顯示、按鍵輸入等部分組成。在普通敷銅板上可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的精確定位、畫圖,由LCD顯示坐標(biāo)位置和所畫圖的大致形狀。系統(tǒng)組成框圖如圖4所示。2.2電路工作原理采用12V直流電源供電。因LM7912,LM7805穩(wěn)壓后紋波系數(shù)大、發(fā)熱量大,不易用在小信號(hào)測(cè)量電路中。LM2576穩(wěn)壓性能好、發(fā)熱量小、可提供功率大,所以本系統(tǒng)用LM2576穩(wěn)壓到±12V供放大器使用,LM2576穩(wěn)壓到5V供液晶使用,ASM1117穩(wěn)壓供MSP430F149使用。本系統(tǒng)用推挽電路實(shí)現(xiàn)單電源轉(zhuǎn)雙電源,電路如圖5所示。本系統(tǒng)電源采用SG3525作為驅(qū)動(dòng)電路,SG3525可產(chǎn)生相位相差180°的2路PWM信號(hào),且頻率為:f=1/(Cf(0.7Rr+3Rd)),SG3525驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。2.3顯示模塊的選擇2.4a/d轉(zhuǎn)換電路采用TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程?；鶞?zhǔn)電壓3.3V,精確到0.05mV。采集到的電壓計(jì)算公式為:式(7)中:X為A/D采集后寄存器中的值。3卡爾曼濾波算法的應(yīng)用系統(tǒng)軟件由一個(gè)菜單模塊構(gòu)架,使用大屏幕和矩陣鍵盤作為人機(jī)交互界面,在不同的菜單下可運(yùn)行相互獨(dú)立的多種功能,使得軟件結(jié)構(gòu)分明,可通過矩陣鍵盤選擇系統(tǒng)校正、顯示左右象限、顯示打點(diǎn)坐標(biāo)、顯示繪制圖形等多種功能。為了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性應(yīng)用了經(jīng)典的卡爾曼濾波算法?？柭鼮V波算法是基于狀態(tài)空間方法的一套遞推濾波算法,在狀態(tài)空間方法中,引入了狀態(tài)變量的概念。在實(shí)際應(yīng)用中,可以通過選取合適的狀態(tài)變量來體現(xiàn)系統(tǒng)的特征、特點(diǎn)和狀況的變化。同時(shí),還應(yīng)用了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)處理的一系列公式,保證數(shù)據(jù)在LCD上坐標(biāo)顯示的準(zhǔn)確性。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。4測(cè)試計(jì)劃和測(cè)試結(jié)果4.1基本圖形的繪制和檢驗(yàn)可提高顯示的分辨率板子采用15cm×10cm普通的覆銅板,表筆采用萬用表的表尖,覆銅板上用筆畫上小方格,以提高顯示的分辨率。測(cè)試結(jié)果顯示可識(shí)別精度為2cm,可以在液晶上準(zhǔn)確顯示打點(diǎn)坐標(biāo)、所在象限和在坐標(biāo)系中的位置。能夠繪制矩形、三角形等基本圖形,在液晶中顯示基本圖形的大致形狀。測(cè)試開始時(shí)必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次校驗(yàn)來保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、有效性。測(cè)試設(shè)計(jì)圖如圖8所示。4.2觸筆的識(shí)別功能測(cè)量結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行,無論觸筆點(diǎn)在銅板測(cè)試區(qū)域任何一點(diǎn),在LCD上都可以準(zhǔn)確顯示觸點(diǎn)象限、坐標(biāo),用觸筆在銅板測(cè)試區(qū)域畫出圖形,在LCD上都能時(shí)時(shí)跟隨觸筆動(dòng)作,顯示觸筆運(yùn)動(dòng)的軌跡,也就是觸筆在銅板測(cè)試區(qū)域所畫的圖形。在本設(shè)計(jì)中,電路結(jié)構(gòu)清晰明了,軟件設(shè)計(jì)思路清晰,算法精妙,計(jì)算準(zhǔn)確。5采集數(shù)據(jù)處理本系統(tǒng)應(yīng)用了單臂橋測(cè)小電阻法,測(cè)量恒定電流通過銅板產(chǎn)生的電勢(shì)差,運(yùn)用差分放大、比例放大把小信號(hào)放大成A/D可采集信號(hào),其中還應(yīng)用了二階低通濾波電路、卡爾曼經(jīng)典濾波算法,保證采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。12